Archiv der Kategorie: Wissenschaft

In der Wissenschaft wird fleißig gearbeitet und geforscht, jedoch braucht es ab und an auch einen klugen Gedanken. Denn wenn alle Berechnungen versagen ist dies nicht Zufall, sondern Unwissen.

Bernd Sternal

Zukunftswegweiser Bionik

Technik, Wissenschaft, , , , ,

Als Bionik bezeichnet man eine multidisziplinäre Wissenschaft, die sich mit der Erforschung und Entschlüsselung von Konstruktionen und Prozessen der belebten Natur beschäftigt und versucht, aus den gewonnenen Erkenntnissen innovative Techniken zu entwickeln. Bionik ist ein Kunstwort, gebildet aus Biologie und Technik. Es ist eine recht junge Wissenschaft, der erst durch den Einsatz leistungsfähiger Rechnersysteme der Durchbruch gelang.

Wir werden von der Bionik in Zukunft noch einiges zu erwarten haben, sie wird diese mitgestalten, wenn nicht sogar prägen. Energiegewinnung mit Hilfe dieser Wissenschaft, ist jedoch vorerst nicht in nennenswerten Größenordnungen zu erwarten – aber auch dies wird kommen, da bin ich mir ganz sicher. Obwohl – israelische Forscher haben im schwarz-gelben Panzer der orientalischen Hornisse Pigmente gefunden, die aus Sonnenlicht Strom erzeugen können. Das sind praktisch tierische Solarzellen, die eine echte Spannung produzieren. Allerdings ist den Forschern wohl bisher noch nicht klar, wofür die Hornissen diesen Strom benötigen.

Von der Natur abgeschaute Techniken und Technologien können allerdings eine Menge zur Energieeinsparung beitragen. Beispielsweise können Fahrzeuge aller Art durch verbesserte aerodynamische Eigenschaften sowie durch Reduzierung des Reibungswiderstandes Kraftstoff sparen. Durch die Natur inspirierte Dämmungssysteme können Wärme- und Kälteverluste mindern helfen. Termitenbauten werden erforscht, um Lüftungssysteme zu optimieren. Durch Erforschung und Analyse von Konstruktionen der Natur kann der Leichtbau vorangetrieben werden.

Dabei ist die Bionik nicht neues, als ihr großer Vordenker gilt Leonardo da Vinci. Auch haben sich die Menschen in vor- und frühgeschichtlicher Zeit schon an der Natur orientiert und sich Inspirationen von ihr geben lassen. Besonders bei der Entwicklung von Fluggeräten haben sich später dann die Pioniere der Luftfahrt am Vogelflug orientiert.

Heute, als anerkannte Wissenschaft, ist die Bionik an vielen Entwicklungsprozessen beteiligt: Bei der Entwicklung neuartiger Profile für Autoreifen, bei spinnfüßigen Robotern, bei der Selbstreinigung von Oberflächen durch den Lotuseffekt, bei der Konstruktion und Strukturoptimierung von Bauteilen aller Art durch Anlehnung an Knochen- und Pflanzenstrukturen. Diese Aufzählung ließe sich noch lange fortführen.

Ebenso ist der allseits bekannte und beliebte Klettverschluss den Klettfrüchten abgeschaut. Saugnäpfe haben Kraken, Käfer und Geckos zum Vorbild, Nebelfänger sind inspiriert von Nebeltrinker-Käfern, Sonar und Echolot sind Navigationstechniken von Fledermäusen, Delfinen und Fischen und vom Propeller sagt man, er sei eine Anleihe an die Flügelfrucht des Ahorns.

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Auch gibt es eine Vielzahl phänomenaler Leistungen aus dem Tier- und Pflanzenreich, die wir bisher kaum zu erklären wissen: Den Gleichgewichtssinn von Katzen; die Segelechse, die über das wasser laufen kann; eine Glasschwammart, die bis zu 10 000 Jahre alt werden kann; der Seidenspinner, dem nachgesagt wird Gerüche bis zu 10 km wahrnehmen zu können; der Barrakuda, der in 3 Sekunden auf 80 km/h beschleunigen kann; der Riesenmammutbaum, der einen Stammdurchmesser bis zu 13 Meter erreicht und eine Höhe bis zu 120 Meter, über 2 400 Tonnen wiegen und über 3000 Jahre alt werden kann; ein Pilz aus der Gattung Hallimasch, der als größtes Lebewesen gilt und eine Fläche von 900 ha einnehmen kann. Es gibt eine ganze Anzahl von Tieren, die zwar stark giftig sind, ihr Gift jedoch nicht selbst produzieren, sondern es mit der Nahrung aufnehmen: so der Zweifarbenpitohui, ein Vögel aus Neuguinea. Auch die Pfeilgiftfrösche aus Südamerika kommen so zu ihrem gefürchteten Gift. Der Pottwal taucht 3 000 m tief und kann bis zu 1 Stunde unter Wasser bleiben. Kein Tier, das Luft zum Atmen braucht, taucht tiefer als der Pottwal. Das mit Abstand lauteste Tier ist der Pistolenkrebs mit 250 Dezibel: zum Vergleich, ein Jagdflugzeug erreicht etwa 120-130 Dezibel.

Diese Aufzählung ließe sich noch lange fortsetzen. Abschließend zu den Rekordhaltern der Natur, von denen wir noch sehr viel lernen können möchte ich die Wasserhyazinthe anführen. Innerhalb kürzester Zeit kann sie sich explosionsartig vermehren und ausgedehnte Wasserflächen komplett mit einem undurchdringlichen, derart dicht verwobenen grünen Teppich abdecken, dass man darauf sogar über das Wasser laufen kann. Unter der Matte jedoch stirbt alles Leben im Gewässer und in ihr finden Malariamücken ideale Brutplätze. Der Fischfang wird unmöglich, Reisfelder werden erstickt, Bewässerungsanlagen verstopft, Kraftwerke werden lahmgelegt, die Schifffahrt blockiert. Die aggressiven Pflanzen verursachen weltweit in tropischen Ländern immense Probleme. Der Einsatz von Giften half ebenso wenig wie das Abfischen, selbst Spezialerntemaschinen oder der Großeinsatz von Militär konnten die Wasserhyazinthenbestände höchstens kurzzeitig etwas lichten.

In diesem Zusammenhang fällt mir der Ausspruch eines alten Freundes aus Wien ein – Ingenieur und Erfinder – der folgenden Satz formulierte: „Wir schwimmen in einer Suppe aus Energie – wir müssen nur den Zugang zum Klemmbrett finden.“ Dem kann ich nur zustimmen. Viele Probleme mit denen wir uns beschäftigen und die Gegenstand von Forschung und Entwicklung sind, löst die Natur ganz unkompliziert, wir müssen ihr nur genau auf die Finger schauen und bereit sein von ihr zu lernen. Das fällt uns jedoch oftmals schwer, denn nicht jede dieser Lösungen würde auch monetären Erfolg mit sich bringen.




Piezoelektrizität – Energiealternative auch für Häusle-Bauer

Politik, Technik, Wissenschaft, , , , , ,

Unsere Politik setzt für die Zukunft auf regenerative Energien und bei diesen schwerpunktmäßig auf Wind- und Sonnenenergie. Darauf möchte ich hier heute nicht weiter eingehen, das werde ich in einem gesonderten Beitrag tun.

Zu den regenerativen Energien – also Energieträgern, die im Rahmen eines überschaubaren menschlichen Zeithorizontes praktisch in unerschöpflicher Menge zur Verfügung stehen – zählt auch die Schwer- oder Gravitationskraft. Mit dieser Kraft- und somit Energiequelle hat sich die Technik bisher schwer getan, was ihre Nutzung anbetrifft.

Bereits im Jahr 1880 wurde von den Brüdern Jacques und Pierre Curie der Piezoeffekt entdeckt. Bei Versuchen mit kristallisierten Silikaten fanden sie heraus, das bei mechanischen Verformungen dieser Kristallstrukturen elektrische Ladungen entstehen, deren Menge sich proportional zur Beanspruchung verhält. Diese Entdeckung nennt man nach dem altgriechischen „piezein“ – drücken, pressen – Piezoeffekt und die daraus resultierende Energie wird als Piezoelektrizität bezeichnet.

Etwa siebzig Jahre folgten dieser Entdeckung jedoch keine praktischen Anwendungen. Erst mit der Erfindung des piezoelektrischen Ultraschallwandlers sowie mit dem Entstehen von Mikroelektronik und Informationstechnologien begann sich das zu ändern. Heute gibt es eine ganze Anzahl verschiedener piezoelektrischer Materialien, vorrangig mit kristalliner oder keramischer Struktur. Diese piezoelektrischen Bauelemente werden in vielen Branchen eingesetzt: Industrie und Fertigung, Automobilindustrie, Medizintechnik, Telekommunikation. Im Jahr 2010 erzielte der weltweite Markt für piezoelektrische Bauelemente einen Umsatz von rund 14,8 Milliarden US-Dollar. Alle Anwendungen hier aufzuführen, würde den Rahmen sprengen: dennoch ist der Piezoelektrik als Stromquelle für externe Verbraucher der Durchbruch bisher versagt geblieben.

Das beginnt sich seit etwa 2010 zu ändern. Zwar zählt die Piezoelektrizität auch zu den regenerativen Energiequellen, sie wird jedoch eher dem Forschungsgebiet Energy Harvesting (Energie-Ernte) zugeordnet. Dieser Begriff der Energieforschung beinhaltet Energie aus alltäglichen Quellen: Umgebungstemperaturen, Wärmeabstrahlung, Vibrationen, Luftströmungen, Licht, Temperaturänderungen, elektromagnetische Wellen sowie Gravitation und vieles mehr. Wenn man also die Gravitation – also die Schwerkraft – gezielt auf technische System mit Piezoelementen leitet, so kann damit Strom erzeugt werden, der auch für externe Systeme genutzt werden kann.

Ein israelisches Unternehmen erzeugt mit dieser Technologie Strom, indem es fünf Zentimeter unterhalb der oberen Schicht des Straßenbelags Piezo-Generatoren einbaut. Diese können die Vibrationen des darüber rollenden Verkehrs in Strom umwandeln. In einem ersten kommerziellen Projekt stellt das Unternehmen die Technologie zur Beleuchtung von Straßenschildern auf der Autobahn zwischen Venedig und Triest zur Verfügung.

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Der US-amerikanische Reifenhersteller Goodyear präsentierte auf der Automesse in Genf 2015 eine neue Generation von Reifen, die speziell für Elektroautos entwickelt wurden. Das Besondere an dem Reifen mit dem Namen BH03: Er nutzt den piezoelektrischen und den thermoelektrischen Effekt um zusätzlichen Strom zu erzeugen. Dabei ist der piezoelektrische Effekt, mit dem durch Druck zusätzlicher Strom erzeugt werden kann, nur während der Fahrt mit dem Elektroauto aktiv. Dank des thermoelektrischen Effekts kann der Reifen zudem sogar im Stand Strom erzeugen.

Selbst noch ganz andere, futuristisch erscheinende Ideen befinden sich mittlerweile in der Umsetzungsphase. Eine davon ist der Abu Dhabische Strömungswald. Genau 1203 gigantische, 55 Meter hohe Ruten aus Karbonfasern ragen dort in den Himmel und schaukeln sanft im Wind. Keine gewaltigen Betontürme, keine Rotoren und Turbinen werden dort benötigt, um den Wind einzufangen und in Elektroenergie umzuwandeln. Die in der Strömung schwingenden Ruten sind in ausgeklügelten Halterungen verankert, die mit piezoelektrischen Elementen versehen sind. So wird jede mechanische Schwingung in elektrischen Strom umgewandelt. Die riesigen Peitschen sind an ihren Spitzen mit bunten LEDs bestückt – je kräftiger der Wind sie schwingen lässt, je heller leuchten sie. In diesem futuristischen Wind-Ruten-Wald sind sogar Spaziergänge erlaubt und so ganz nebenbei soll auch Energie für etwa 5 000 Haushalte erzeugt werden.

Die jedoch wohl zukunftsträchtigste diesbezügliche Idee stammt aus den Niederlanden. Der Architekt Janjaap Ruijssenaaes hat eine neue Technik entwickelt, mit der sich im eigenen Haus nachhaltig kostenloser Strom erzeugen lässt. Rein Gewichtuijssenaars Mechanismus erzeugt Energie durch ein Gewicht, das sich in einem dauerhaften Ungleichgewicht befindet, und bietet eine Alternative zu Sonnen- und Windenergie. Das Patent für diese Technik ist bereits beantragt.

Ruijssenaars meint über seine Erfindung. „Ganz intuitiv dachte ich mir, Schwerkraft müsst doch etwas zu bieten haben, wenn man bedenkt, dass alles von der Erde angezogen wird. Indem ein Gewicht, das nur knapp ausbalanciert ist, mit geringem Kraftaufwand aus dem Gleichgewicht gebracht wird, lässt sich am unteren Ende an einem einzigen Punkt eine starke Kraft erzeugen. Die Idee war, dass sich damit etwas anfangen lassen müsste.“

Wissenschaftler bezeichnen diese Technik als Durchbruch, „weil sie dank der intelligenten Verwendung der Schwerkraft den Energieertrag aus der Piezo-Methode von 20 auf 80 Prozent steigern kann.“ Theo de Vries, Systemarchitekt und Dozent von der Universität von Twente meint zudem:“ Ruijssenaars hat die Methode buchstäblich auf den Kopf gestellt und uns, als Wissenschaftler, dadurch dazu gebracht, die Methode in einem neuen Licht zu betrachten. Dank dieser Erfindung wird alles, was derzeit als mechanische Energie angeboten wird, sich als nützlich erweisen.“

Professor Beatriz Noheda von der Reichsuniversität Groningen, Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften, ist fest davon überzeugt, dass die Erzeugung von Piezoelektrizität ein fester Bestandteil der Zukunft sein wird, und sagt, dass die Effizienzsteigerung höchst willkommen ist: „In Situationen, in denen der Einsatz von Solarmodulen nicht nachhaltig ist, können wir diese neue Technik einsetzen.“

Wenn Sie diesen Beitrag interessant finden, so erzählen Sie bitte anderen davon. Energy Harvesting hat nämlich keine breite Lobby. Die Energiekonzerne zeigen wenig Interesse, lassen solche Technologien aus alltäglichen Quellen doch keine Gewinne erwarten. Und auch die Politik hält sich sehr zurück, entfallen doch auf diese Weise Steuern und auch die Einflussnahme auf die Energieversorgung schwindet. Energieversorgung mit Energy Harvesting kann nur der Durchbruch gelingen, wenn die Verbraucher es durchsetzen. Wenn nicht, so werden wir noch auf lange Zeit bei der Energieversorgung fremdgesteuert bleiben.




Kernfusion mit Wendelstein 7-X

Politik, Technik, Wissenschaft, , , , , , ,

Es ist gelungen, erstmals! Bisher war es eine Fiktion, dass der Mensch eine Kernfusion, wie sie ständig auf unserer Sonne abläuft, steuern und bändigen könnte.

Im Greifswalder Versuchsreaktor ist diese, wohl zu den verwegensten Ideen der Menschheit zählende, Fiktion der Realität nun ein großes Stück nähergekommen. Wahnsinn oder Genialität, die Auffassungen teilen sich. Auch hört man verschwindend wenig über dieses deutsche Prestige-Projekt, das immerhin schon über eine Milliarde Euro Steuergelder gekostet hat – 500 Millionen waren einmal geplant. Was jedoch nicht verwunderlich ist, gab es schließlich für diese Forschungskalkulation keinerlei Erfahrungswerte. Allein Entwicklung und Bau des Magnetspulen-Rings, mit dem die Forscher technologisches Neuland betraten, kostete 370 Millionen Euro.

Nun greift das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), dass den Kernfusionsreaktor betreibt nach den Sternen. Es will die chemisch-physikalischen Abläufe einer Sonne, auf der Erde reproduzieren. Keine einfache und unkomplizierte Sache – ganz im Gegenteil – das ist eher eine höllische Aufgabe. Um eine Kernfusion überhaupt auslösen zu können sind unvorstellbare Temperaturen und Drücke erforderlich. Im Zentralbereich der Sonne laufen diese Prozesse bei etwa 15 Millionen Grad Celsius und einem Druck von 200 Milliarden Bar ab. Da letzterer auf unserem Planeten (derzeit) nicht zu erreichen ist, müssen die Reaktionstemperaturen dementsprechend erhöht werden: auf sagenhafte 100 Millionen Grad Celsius. Erst bei diesen Temperaturen geben Atome ihre Elektronen ab und werden zu Ionen; ein Plasma entsteht. In der Physik ist ein Plasma ein Teilchengemisch auf atomar-molekularer Ebene, dessen Bestandteile teilweise geladene Komponenten, Ionen und Elektronen sind. Das bedeutet, dass ein Plasma freie Ladungsträger enthält. Eine für das Verhalten von Plasmen, aber auch für deren technische Nutzung wesentliche Eigenschaft, ist deshalb deren elektrische Leitfähigkeit.
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Bei der angestrebten Kernfusion, also bei thermonuklearen Prozessen, werden unvorstellbare Energien frei – diese bringen unsere Sonne zum Strahlen. Fusionsbrennstoffe für diese Kernreaktion sind dabei Deuterium (2H) und Tritium (3H). Deuterium und Tritium sind beides natürliche Isotopen des Wasserstoffs und der kommt auf unserem Planeten in fast unbegrenzter Menge vor oder kann erzeugt werden. Bei den geplanten zukünftigen Kernfusionen sollen diese beiden Wasserstoff-Isotopen zu einem Heliumkern verschmelzen, wobei ein Neutron sowie eine gewaltige Energiemenge freigesetzt werden. Es wird davon ausgegangen, dass sich mit einem Gramm Brennstoff mehr Energie erzeugen lässt, als durch die Verbrennung von zehn Tonnen Kohle.

Lassen sich diese Prozesse steuern, wovon die Wissenschaft ausgeht, so wären alle Energieprobleme der Menschheit zukunftsträchtig und nachhaltig gelöst. Die Kernfusion stellt die Wissenschaft und auch die Technik jedoch vor gewaltige Herausforderungen. Dennoch scheinen diese lösbar, auch wenn es noch ein weites Stück Weg ist.

Was unterscheidet jedoch eine Kernfusion von einer Kernspaltung (Atomkraftwerk)? Zum einen ist, im Gegensatz zur Kernspaltung, eine Kettenreaktion mit Fusionsreaktionen nicht möglich. Zum anderen entstehen bei diesen physikalisch-chemischen Prozessen zwar auch radioaktive Substanzen, diese stellen allerdings nur ein geringen Gefährdungspotential dar. Das Reaktionsprodukt in Fusionskraftwerken ist Tritium, ein instabiles Isotop, auch überschwerer Wasserstoff genannt. Tritium zerfällt mit einer Halbwertszeit von zwölf Jahren in das stabile Isotop Helium-3. Im Gegensatz dazu bestehen die Produkte der Kernspaltung in den Brennelementen von Atommeilern aus einem breiten Gemisch radioaktiver Substanzen mit unterschiedlichen Eigenschaften und Halbwertszeiten von teilweise über einer Million Jahren.

Die Kernfusionsforschungsanlage Wendelstein 7-X hat nun am 10.Dezember 2015 erstmals Helium-Plasma erzeugt. Etwa zehn Milligramm Helium wurden in das Magnetfeld einer Vakuumkammer der 725 Tonnen schweren Anlage eingeleitet und anschließend auf eine Million Grad erhitzt. „Das ist ein toller Tag“, sagte die wissenschaftliche Direktorin Sibylle Günter nach dem ersten Experiment, das nach neunjähriger Bauzeit der Anlage geglückt ist.

Sicherlich sind derartige Zukunftsforschungen nicht aus der Portokasse zu bezahlen. Dennoch sehe ich als Ingenieur derartige Steuerinvestitionen als gerechtfertigt an. Deutschland hat in den letzten Jahrzehnten schon zu viele Zukunftstechnologien verschlafen – so beispielsweise in der Computer- und Informationsindustrie. In dieser zukunftsträchtigen Energietechnologie ist Deutschland jedoch weltweit führend.

Und wie aktuell in Deutschland üblich, tauchen unmittelbar nach einer technologischen Verkündung die ersten Kritiker auf. Ich bezeichne diese Leute mittlerweile als „Grundsatzkritiker“, und die gibt es in allen Parteien und parteinahen Institutionen. Es läuft immer nach dem gleichen Schema ab: was nicht von uns stammt ist schlecht – Kindergartenmentalität.

Kritiker der Technologie wie Sylvia Kotting-Uhl, atompolitische Sprecherin der Grünen Bundestagsfraktion, sehen in Fusionsreaktoren keine Zukunftstechnologie, sondern in erster Linie Milliardengräber. „Bis 2050, wenn eventuell ein erster Demonstrationsreaktor in Betrieb gehen könnte, werden wir unseren Energiebedarf zu nahezu 100 Prozent aus Erneuerbaren decken“, argumentiert Kotting-Uhl. „Diese werden bis dahin unschlagbar billig sein.“ Der Wendelstein 7-X sei vor allem eine riesige Geldverbrennungsmaschine. Frau Kotting- Uhl hat wohl noch nie vom Jahr ohne Sonne und anderen derartigen Naturkatastrophen gehört. Ich habe darüber bereits berichtet.

Mir stellt sich dabei immer wieder die Frage warum in der Politik so häufig Fachfremde per Amt zu Fachleuten gemacht werden können: Kotting-Uhl ist Germanistin, unsere Verteidigungsministerin Ärztin, unser Gesundheitsminister Hermann Gröhe hingegen ist Jurist, unser Wirtschaftsminister Sigmar Gabriel ist Lehrer was auch auf unsere Umweltministerin Barbara Hendrichs zutrifft. Nichts gegen diese hochqualifizierten und ehrenwerten Berufe, dennoch gilt ein uraltes Sprichwort: Schuster bleib bei Deinen Leisten“ wohl auch heute noch – oder auch nicht!?